ПОЛЯ И ЧАСТИЦИ

Колко разнообразни са вълновите явления в природата! Дори на водата има много видове вълни. Вълните могат да се раждат, да се сблъскват, разпръскват, като частици. Или може би частиците са вълни, само, разбира се, не във вода, а в някаква невидима среда.?

Такива мисли са се случвали на хората много пъти в историята на физиката. Особено разгорещени спорове пламват през 17 век. между поддръжниците на корпускуларната теория на светлината, които я считат за поток от частици, и поддръжниците на теорията на вълните, които считат светлината за вълни в невидим етер. Кой беше прав? Никой или по-точно и двамата.

Всъщност светлината е поток от частици - кванти или фотони, носещи определени порции енергия и инерция. От друга страна, светлината е вълна от електромагнитно поле (вж. Електромагнитни вълни), която има енергия и импулс и се разпространява в пространството със скоростта на светлината.

За да се комбинират тези две толкова различни понятия - вълна и частица - беше необходимо да се преразгледа нютоновата механика.

В квантовата механика всяка частица съответства на вълна. И когато има много частици? От гледна точка на квантовата механика може да се присвои собствено поле на всяка частица. Например, по принцип може да се приеме, че всеки електрон в лъча от ускорителя съответства на собственото си поле. Опитът обаче свидетелства за пълната неразличимост на идентичните частици. Разбира се, електроните могат да имат различни енергии и импулси, но с едни и същи параметри, електроните са еднакви.

Така че, ако всички частици са еднакви, като вълни в една и съща среда, то тази среда, тоест полето, е по-фундаментално понятие. В този смисъл привържениците на етерната теория се оказаха по-близо до истината.

Какво е поле? От математическа гледна точка полето е произволна функция или набор от функции, координати

x, y, z и време t. Например фотонът е описан от електрическо поле

и магнитно поле

, хармонично, т.е. синусоидално, в зависимост от координатите и времето. Много е важно електромагнитното поле на фотона да е хармонична функция на определена комбинация от пространствени координати и време:

Това означава, че фотонът е квант на полето на електромагнитна вълна, разпространяваща се в пространството със скорост

s и се характеризира с дължината на вълната (разделена на

)

. Тук

- единичен вектор, насочен в посока на разпространението на вълната) се нарича вектор на вълната. Фотонен импулс

, и неговата енергия

В допълнение към променливите полета във физиката важна роля играят постоянните, така наречените статични електрически и магнитни полета, например магнитното поле на Земята, електрическото поле в гръмотевичен облак и т.н.

Всичко това са различни форми на проявление на електромагнитното поле.

Други полета са известни в природата. От времето на Нютон ние познаваме гравитационното поле, създадено от материални тела. Гравитационното поле е пропорционално на енергията на тялото. За тела в покой или бавно движещи се енергии е равно на маса, умножена по квадрата на скоростта на светлината:

, така че гравитационното поле е пропорционално на масата (законът на Нютон, виж Гравитацията). Според общата теория на относителността гравитационното поле може да зависи от времето и да се разпространява със скоростта на светлината.

Гравитационните вълни все още не са открити експериментално, тъй като те взаимодействат много слабо с материята. Търсят ги в много лаборатории по света.

Електроните съответстват и на поле - така нареченият електрон-позитрон. Тук възниква нова концепция - античастица (вж. Антиматерия). Едно и също поле описва както частици (електрони), така и античастици (позитрони). По време на унищожаването частиците и античастиците се преобразуват в други частици, като фотони. Възможен е и обратният процес - създаването на двойки електрон-позитрон от електромагнитно поле. Всички тези процеси са описани с квантова електродинамика. В квантовата електродинамика електрон-позитронното поле е свързано с електромагнитното поле, така че енергията и инерцията да могат да текат напред-назад.

Това съответства на раждането и унищожаването на двойки.